一种基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪制造技术

本发明专利技术提供一种基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪，该核磁共振陀螺仪包括探测光路部件、泵浦光路部件、偏振光路部件、光电探测部件、信号解调电路、原子气室、加热体、磁补偿线圈、磁屏蔽体和铝合金外壳，以及激光驱动电源、温度控制电路和磁场驱动电路；该核磁共振陀螺仪采用宽带激光泵浦极化碱金属，该宽带激光的线宽大于超精细能级分裂间隙，可有效提高工作介质极化率，并且本发明专利技术采用磁屏蔽体对外界磁场进行衰减，并在磁补偿线圈内施加电流产生磁场来补偿剩余的磁场，从而有效隔离干扰磁场，而且本发明专利技术将探测光分为两路进行探测接收，并通过差分处理得到陀螺信号，可以有效抑制陀螺共模噪声。

【技术实现步骤摘要】
一种基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪
本专利技术涉及核磁共振陀螺仪
，特别涉及一种基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪，可应用于战略、战术武器装备的制导与控制。
技术介绍
陀螺仪能够为运动物体建立不变的坐标系，是测量物体转动角速率和角度的重要工具，是战略/战术武器装备/平台、空间飞行器进行姿态调整/控制、实现自主/隐蔽导航的核心信息源之一。随着传统战争模式向海陆空天电磁等多维战场空间的联合作战模式的转变，微小型空间飞行器、小型导弹/作战平台等武器装备的发展对惯性测量单元的性能提出了更高要求，尤其是在小体积、低功耗的前提下实现高精度、大动态等技术指标。陀螺仪的发展经历了基于牛顿力学的转子式陀螺仪，基于光波Sagnac效应的光学陀螺仪，基于科氏力的MEMS陀螺仪，以及有望实现高精度/小体积的新一代原子陀螺仪。原子陀螺仪分自旋式和干涉式两类，前者又包括核磁共振陀螺仪、无自旋交换弛豫陀螺仪和金刚石结构NV色心陀螺仪。原子干涉陀螺仪具有较高的理论精度，但光场/磁场控制结构复杂，体积大。无自旋交换弛豫陀螺仪要求环境磁场趋于零，碱金属原子密度>1013/cm3，不利于降低陀螺仪的功耗和成本。金刚石结构NV色心陀螺仪处于学术探索阶段，相关技术还不成熟。核磁共振陀螺仪能够兼顾高精度、小体积、低功耗等特点，是未来高精度、紧凑式原子陀螺仪的重要发展方向，有望在未来5-10年内实现工程应用。1979年美国Kearfott公司和Litton公司率先研制出核磁共振陀螺仪原理样机，其分别用汞灯和铷灯做泵浦光源，样机的体积较大，精度较低。随后美国Stanford大学和英国Sussex大学为解决弱信号检测及磁场稳定性问题，转入研究低温超导核磁共振陀螺仪，样机体积较大，成本较高。近年来，美国加州大学尝试采用MEMS技术研制微型核磁共振陀螺仪，但存在内壁多层镀膜困难，加热导线引入的干扰磁场制约陀螺精度等问题。此外，美国诺·格公司利用被动组装技术研制微小型核磁共振陀螺仪，也存在工艺难度大，重复性差等难题。此外，基于窄带(<100MHz)激光泵浦的核磁共振陀螺仪存在极化效率低、功耗高等问题。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪，该核磁共振陀螺仪采用宽带激光泵浦极化碱金属，该宽带激光的线宽大于超精细能级分裂间隙，可有效提高工作介质极化率，并且本专利技术采用磁屏蔽体对外界磁场进行衰减，并在磁补偿线圈内施加电流产生磁场来补偿剩余的磁场，从而有效隔离干扰磁场。本专利技术的上述目的通过下述技术方案予以实现：一种基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪包括探测光路部件、泵浦光路部件、偏振光路部件、光电探测部件、信号解调电路、原子气室17、加热体18、磁补偿线圈19、磁屏蔽体2和外壳1，其中：原子气室17固定放置于加热体18的中空腔体内，磁补偿线圈19分布在加热体18的外侧表面且放置在磁屏蔽体2的内部，探测光路部件、泵浦光路部件、偏振光路部件、光电探测部件放置在所述磁补偿线圈19和磁屏蔽体2之间；磁屏蔽体2位于外壳1的内部；信号解调电路处于磁屏蔽体2和外壳1之间；其中，探测光路部件和泵浦光部件分别生成探测光和泵浦光，所述泵浦光为线宽大于超精细能级分裂间隙的宽带激光；所述探测光经过磁补偿线圈19和加热体18的一侧进入原子气室17，并从加热体18和磁补偿线圈的另一侧射出，形成直线探测光路A，并由偏振光路部件进行偏振处理生成偏振光路C和偏振光路D，其中，偏振光路C与偏振光路D相互平行，且均与探测光路A垂直；所述泵浦光经过磁补偿线圈19和加热体18的一侧进入原子气室17，并从加热体18和磁补偿线圈的另一侧射出，形成直线泵浦光路B；其中，所述探测光路A与泵浦光路B相互垂直相交，且交点位于原子气室17的中心位置；所述偏振光路C和偏振光路D分别输出S偏振光和P偏振光，经过光电探测部件进行光电探测处理得到探测信号；信号解调电路接收所述探测信号，并经过差分、鉴相处理得到陀螺信号。在上述的基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪中，所述探测光路部件包括第一激光二极管9、第一非球面透镜8、第一λ/2波片7、第一偏振分束棱镜6、第一光吸收器4和第二λ/2波片5，其中：所述第一激光二极管9产生的线偏振光经第一非球面透镜8准直为平行光束，并通过第一λ/2波片7后进入第一偏振分束棱镜6，分为S偏振光和P偏振光，其中，所述P偏振光由第一光吸收器4收集，所述S偏振光通过第二λ/2波片5，并作为探测光经过磁补偿线圈19和加热体18的一侧进入原子气室17，所述S偏振光的光路为探测光路A，且与P偏振光的光路相垂直。在上述的基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪中，第一激光二极管9、第一非球面透镜8、第一λ/2波片7、第一偏振分束棱镜6和第一光吸收器4依次分布在直线E上，且第一偏振分束棱镜6、第二λ/2波片5和原子气室17的中心依次分布在直线F上，所述直线E与直线F相垂直，其中，所述直线E的方向与所述P偏振光的光路一致，直线F的方向与探测光路A一致，其中：第一非球面透镜8的焦点处于第一激光二极管9的发光面中心，第一偏振分束棱镜6内的反射面的法线与直线E成45度角，第一光吸收器4的入光口正对第一激光二极管9的发射面。在上述的基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪中，所述泵浦光部件包括第二激光二极管12、第二非球面透镜13、λ/4波片14和第二光吸收器3，其中：第二激光二极管12发射线偏振宽带激光，并经第二非球面透镜13准直为线偏振的平行光束，然后再经过λ/4波片14转换为圆偏光平行光束，并作为泵浦光经过磁补偿线圈19和加热体18的一侧进入原子气室17进行碱金属极化，剩余的泵浦光由原子气室17的另一侧射出，并穿过加热体18和磁补偿线圈19，由第二光吸收器3收集。在上述的基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪中，第二激光二极管12、第二非球面透镜13、λ/4波片14、原子气室17和第二光吸收器3的中心依次分布在直线G上，所述直线G的方向与泵浦光路B方向一致：其中，第二非球面透镜13的焦点处于第二激光二极管12的发光面中心，第二光吸收器3的入光口正对第二激光二极管12的发射面。在上述的基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪中，偏振光路部件包括第二偏振分束棱镜16和直角棱镜15，光电探测部件包括第一光电探测器10和第二光电探测器11；其中：由原子气室17射出并穿过加热体18和磁补偿线圈的一侧的探测光，由第二偏振分束棱镜16分为S偏振光和P偏振光，其中S偏振光由第二光电探测器11接收，并经过探测得到探测信号A；而所述P偏振光经直角棱镜15反射后由第一光电探测器10接收，并经过探测得到探测信号B，输出所述探测信号A和探测信号B到信号解调电路。在上述的基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪中，第二偏振分束棱镜16和第二光电探测器11的中心依次分布在直线H上，所述第二偏振分束棱镜16内的反射面的法线与直线H成45度角；直角棱镜15和第一光电探测器10的中心依次分布在直线I上，所述直角棱镜15的反射面的法线与直线I成45度角。上述的基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪还包括激光驱动电源、温度控制电路和磁场驱动电路，其中：所述激光驱动电源用于驱动探测光路部件和泵浦光路部件的激光二极管；温度控制电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪，其特征在于包括：探测光路部件、泵浦光路部件、偏振光路部件、光电探测部件、信号解调电路、原子气室(17)、加热体(18)、磁补偿线圈(19)、磁屏蔽体(2)和外壳(1)，其中：原子气室(17)固定放置于加热体(18)的中空腔体内，磁补偿线圈(19)分布在加热体(18)的外侧表面且放置在磁屏蔽体(2)的内部，探测光路部件、泵浦光路部件、偏振光路部件、光电探测部件放置在所述磁补偿线圈(19)和磁屏蔽体(2)之间；磁屏蔽体(2)位于外壳(1)的内部；信号解调电路处于磁屏蔽体(2)和外壳(1)之间；其中，探测光路部件和泵浦光部件分别生成探测光和泵浦光，所述泵浦光为线宽大于超精细能级分裂间隙的宽带激光；所述探测光经过磁补偿线圈(19)和加热体(18)的一侧进入原子气室(17)，并从加热体(18)和磁补偿线圈的另一侧射出，形成直线探测光路A，并由偏振光路部件进行偏振处理生成偏振光路C和偏振光路D，其中，偏振光路C与偏振光路D相互平行，且均与探测光路A垂直；所述泵浦光经过磁补偿线圈(19)和加热体(18)的一侧进入原子气室(17)，并从加热体(18)和磁补偿线圈的另一侧射出，形成直线泵浦光路B；其中，所述探测光路A与泵浦光路B相互垂直相交，且交点位于原子气室(17)的中心位置；所述偏振光路C和偏振光路D分别输出S偏振光和P偏振光，经过光电探测部件进行光电探测处理得到探测信号；信号解调电路接收所述探测信号，并经过差分、鉴相处理得到陀螺信号。...

【技术特征摘要】
1.一种基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪，其特征在于包括：探测光路部件、泵浦光路部件、偏振光路部件、光电探测部件、信号解调电路、原子气室(17)、加热体(18)、磁补偿线圈(19)、磁屏蔽体(2)和外壳(1)，其中：原子气室(17)固定放置于加热体(18)的中空腔体内，磁补偿线圈(19)分布在加热体(18)的外侧表面且放置在磁屏蔽体(2)的内部，探测光路部件、泵浦光路部件、偏振光路部件、光电探测部件放置在所述磁补偿线圈(19)和磁屏蔽体(2)之间；磁屏蔽体(2)位于外壳(1)的内部；信号解调电路处于磁屏蔽体(2)和外壳(1)之间；其中，探测光路部件和泵浦光路部件分别生成探测光和泵浦光，所述泵浦光为线宽大于超精细能级分裂间隙的宽带激光；所述探测光经过磁补偿线圈(19)和加热体(18)的一侧进入原子气室(17)，并从加热体(18)和磁补偿线圈的另一侧射出，形成直线探测光路A，并由偏振光路部件进行偏振处理生成偏振光路C和偏振光路D，其中，偏振光路C与偏振光路D相互平行，且均与探测光路A垂直；所述泵浦光经过磁补偿线圈(19)和加热体(18)的一侧进入原子气室(17)，并从加热体(18)和磁补偿线圈的另一侧射出，形成直线泵浦光路B；其中，所述探测光路A与泵浦光路B相互垂直相交，且交点位于原子气室(17)的中心位置；所述偏振光路C和偏振光路D分别输出S偏振光和P偏振光，经过光电探测部件进行光电探测处理得到探测信号；信号解调电路接收所述探测信号，并经过差分、鉴相处理得到陀螺信号。2.根据权利要求1所述的一种基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪，其特征在于：所述探测光路部件包括第一激光二极管(9)、第一非球面透镜(8)、第一λ/2波片(7)、第一偏振分束棱镜(6)、第一光吸收器(4)和第二λ/2波片(5)，其中：所述第一激光二极管(9)产生的线偏振光经第一非球面透镜(8)准直为平行光束，并通过第一λ/2波片(7)后进入第一偏振分束棱镜(6)，分为S偏振光和P偏振光，其中，所述P偏振光由第一光吸收器(4)收集，所述S偏振光通过第二λ/2波片(5)，并作为探测光经过磁补偿线圈(19)和加热体(18)的一侧进入原子气室(17)，所述S偏振光的光路为探测光路A，且与P偏振光的光路相垂直。3.根据权利要求2所述的一种基于宽谱激光泵浦的核磁共振陀螺仪，其特征在于：第一激光二极管(9)、第一非球面透镜(8)、第一λ/2波片(7)、第一偏振分束棱镜(6)和第一光吸收器(4)依次分布在直线E上，且第一偏振分束棱镜(6)、第二λ/2波片(5)和原子气室(17)的中心依次分布在直线F上，所述直线E与直线F相垂直，其中，所述直线E的方向与所述P偏振光的光路一致，直线F的方向与探测光路A一致，其中：第一非球面透镜(8)的焦点处于第一激光二极管(9)的发光面中心，第一偏振分束棱镜(6)内的反射面的法线与直线E成45度角，第一光...

【专利技术属性】
技术研发人员：王巍，王学锋，刘院省，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11